Den Renal Bekken: Maskiner Som Konsentrerer seg Urin i Papilla

Overraskende for mange, og pacemakeren for ureteral peristaltikk ligger i nyre, i nærheten av kortikal-medullary junction (3). Som en konsekvens, nedsatt bekkenet (i unipapillate pattedyr) og nedsatt calyces (i multipapillate dyr) rytmisk kontrakt, noe som fører blod og væske fra nedsatt papilla; når muskelen slapper av, væske og blod tilbake (17)., Vi foreslår at nyrene papilla fungerer som en pumpe, gjennom vekslende positive og negative trykket som genereres av peristaltic sammentrekninger av bekken veggen. Vannet beveger seg i å samle duct celler som et resultat av liten positiv hydrostatisk trykk på vegger av celler, som er generert av peristaltic bølge å presse væske gjennom å samle kanaler. Senere, væske beveger seg ut av cellene, som et resultat av den negative trykket som genereres av elastiske krefter som utvider papilla under returen, og væske fjernes fra interstitium av vasa recta., Denne modellen tilbudene som er mest spesielt med pattedyr som har en relativt lang papilla. (Den høyeste grad av urin konsentrasjon er funnet i pattedyr med den lengste papilla, hvor peristaltikk er forventet å ha størst effekt, se Ref. 17).

Pattedyr og fugler er bare vertebrater kjent for å produsere en konsentrert urin ved hjelp av en nyre medullary countercurrent system (18)., Disse to countercurrent systemer, derimot, viser funksjonelle anatomiske forskjeller som synes å være relatert til det faktum at fugler skille ut urinsyre, mens pattedyr skille ut de fleste av sine avfall nitrogen i form av urea. I fugl nyrer, det er ikke noe urea opphopning i nedsatt medulla, og det er ingen plass for urin for å kontakte nedsatt medulla, fordi medulla er omgitt av tett ark av bindevev. I mammalske nyrer, urea opphopning i nedsatt medulla spiller en viktig rolle i den mekanismen som konsentrerer seg urinen i å samle kanaler., Videre, de nukleære nedsatt medulla er omgitt av en muskuløs trakt-formet bekken veggen (Fig. 1A), noe som etterlater en forseggjort urin plass mellom nedsatt medulla og innsiden av bekken veggen.

På dette punktet, avklaring vedrørende terminologi er nødvendig. I nyrene med mange papiller, slik som menneskelige nyre, hver papilla er omgitt av en trakt-formet calyx. Dette tilsvarer det vi kaller bekkenet i nyrene med bare én papilla., I den menneskelige nyre, det er rommet mellom calyces og ureter som kalles bekkenet. Dette rommet er ikke til stede i nyrene med en papilla, der bekken er en direkte forlengelse av ureter.

En plexus av glatt muskel fiber er funnet i veggen av nedsatt bekkenet og calyces. To forskjellige lag finnes i unipapillate nyrer., Det indre laget inneholder fibre som går i ulike retninger, sett i nærheten av stedet der bekken veggen blir med base av papilla, og er kontinuerlig med ureteral glatt muskulatur; det ytre laget er rikt innervated men er mer diffuse, og dekker kun det nedsatt bekkenet, koble på steder med det indre laget, men til slutt endte brått i krysset med ureter (Fig. 2A; Ref. 7). Selv om lagene av glatt muskulatur i caliceal veggen i multipapillate nyrene er ikke like tydelig (Fig., 2B), den indre fibrene har en tendens til å sette inn nær tidspunktet i caliceal veggen og bunnen av papilla, mens den ytre fibre utvide ytterligere (den musculus løfte fornicis; Ref. 15), og danner en tykkere ring rundt tubuli og vasa recta at kurs mot papilla (den Ringmuskel der Papille; Ref. 10). Den glatte muskulaturen fortsette så langt som bindevev forbundet med arcuate arterier og vener (peripyramidal fibre; Ref. 16)., En koordinert peristaltic sammentrekning av disse glatte muskulaturen kan dermed utøve en rytmisk pumpingen på hele nedsatt medulla, en funksjon som først ble lansert av Henle (10) som en mekanisme for å fremme tømming av de tubuli ligger i nedsatt papilla.

hos pattedyr nedsatt bekkenet gjør det mulig for urin for å kontakte epitel som dekker indre og ytre nedsatt medulla., I tverrprofiler av unipapillate mammalske nyrer, bekken synes å omgi indre medulla og bare for å ha en enkel trakt form. Avstøpninger av bekken urin plass, men avsløre tilstedeværelsen av en serie av blad-som utvidelser (Fig. 1B). Det er en enorm variasjon i bekken områder, som spenner fra enkle trakt form til de mest forseggjorte av bekken utvidelser. Sekundær poser og fornices er funnet i alle typer pattedyr nyre. De er urin områder der urinen kan kontakte veldig tynt epitel som dekker ytre medullary vev (se Ref. 13)., I en enkel tverrsnitt illustrasjon av den gnager nyre, indre medulla og papilla kan bli sett å bli hengende i bekken plass. I tilknytning til nedsatt medulla er septum, som er kontinuerlig med ureter. Hver septum har en rekke eiker som stråler mot cortex og danner fornices. Mellom eiker, den ytre kanten av septum er gratis og har en semilunar kanten. Bak denne kanten den sekundære poser utvide mellom septum og ytre medulla. Den fornices nå helt til cortex., Kapillærer er plassert direkte under tynt epitel, og det er sannsynlig at utveksling av oppløst stoff og vann som finner sted mellom disse kapillærer og urinen nå bekken utvidelser. Forseggjort fornices i sand rat maksimere muligheten for utveksling av vann og solutes mellom urinen i bekkenet og kapillærer i ytre medulla. Det er imidlertid ingenting som tyder på at evnen til å konsentrere urin er forbedret i pattedyr med den mest omfattende og komplekse bekken utvidelser., Snarere, disse strukturene tillate dyr til å svare på vann forgiftning ved raskt sammenslåing av oppløst stoff gradient langs nedsatt papilla (17).

Urodynamiske hendelser oppstår i nedsatt bekkenet

«Det nedsatt bekkenet er ikke et stivt og ubevegelig hulrommet. Dette faktum har blitt kjent for over 55 år….»(15), og som ble skrevet i 1940! Hamster er spesielt godt egnet for observasjon av urodynamiske hendelser i nedsatt bekkenet fordi den har et enkelt, ganske lang papilla., Etter nøye fjerning av flere lag av fett og bindevev, muskulære sammentrekninger av peripelvic veggen bli synlig, spesielt når papilla er transilluminated av en fiberoptisk lys. I hamster, frekvensen av peristaltic sammentrekninger er normalt 13/min (17), sammenlignet med 7/min i miniatyr svin (men 12-13/min i isolerte svin nyre; Refs. 4 og 20), 0.3/min i hund (men 13-17/min i isolerte hjørnetann nyre; Refs. 3 og 6), og 2-3/min hos mennesker (2). Dette peristaltikk har en dyp effekt på størrelsen og formen på papilla., Som veggen kontrakter, papilla smalner. Dens diameter er redusert med så mye som 20%, noe som betyr at cross-sectional area, er redusert med så mye som 36%. I det øyeblikket peristaltic bølge beveger seg forbi sine tips, det papilla returer oppover. Gjennomsnittlig bevegelse er ∼300 µm (17).

Glatt muskulatur er funnet i veggen av nedsatt bekkenet opp til bunnen av papilla i både unipapillate og multipapillate nyrer, men er ikke funnet i papilla i seg selv (Fig. 2)., Den peristaltic sammentrekninger er kontrollert av en pacemaker ligger i de øverste delene av bekken (9), som overstyrer tregere rytmer knyttet til deler av bekken veggen og ureter.

Det er mulig å studere bevegelse av urin i å samle kanaler og i bekken-området rundt nedsatt papilla under peristaltic sammentrekninger av muskel i bekkenet veggen ved hjelp av en teknikk som er innført av Steinhausen i 1964 (19). Når fargestoffet Lissamine Grønn SF er injisert intravenøst, det raskt når kapillærene i nyre og filtreres av glomeruli., – Det snart vises i den proksimale tubuli på kortikale overflaten av nyre. Som den beveger seg gjennom den proksimale tubule convolutions, fargen forsvinner fra den første convolutions som fargestoff går i sløyfer av Henle. Farget væske og deretter returnerer til den distale tubuli. Siden det har vært vann reabsorpsjon fra tubuli renal, fargestoff er mer konsentrert, og det vises mørkere. En tilsvarende sekvens er sett i nyre papilla. Fargen vises først i kapillærer og vasa recta. Etter at det har blitt filtrert og beveget seg gjennom den proksimale convolutions, vises det som et ledd av Henle., Gradvis fargestoff er fjernet fra looper, og etter at det har gått gjennom den distale tubuli det går samle tubuli og samle kanaler. Hvis fargen er fylt kontinuerlig, urinen går gjennom innsamling kanaler vil være grønn.

Urin kan reflux til nedsatt bekkenet?

Urin forlater kanaler av Bellini på tuppen av papilla vil vanligvis følger direkte ned ureter etter hvert bekken sammentrekning. Noen ganger, imidlertid, urin fans rundt tuppen av papilla, kort bading lavere 50 µm med urin (17)., Dette mønsteret, som vi kaller for tips reflux, er sett under konstant eller redusert urin flow. Når urinen pris er raskt økende, men en annen flow-mønster er sett. Urinen ikke lenger renner direkte ned ureter som den forlater kanaler av Bellini. I stedet urinen er blåst opp i bekken, der den når alle fornices og videregående poser. I løpet av de neste sammentrekning, urinen er blåst ned over papilla og går inn i ureter. Dette mønsteret vi kaller full bekken reflux.,

Full bekken refluxes er fysiologisk indusert når frekvensen av urinen øker raskere enn 0.05 µl/min2. De fortsetter i flere minutter etter at strømningshastigheten er ikke lenger øker. Under stigende urinen, urinen blir mer fortynnet og dens osmolality synker. Urinen blir feid opp i bekken utvidelser og dermed har en lavere osmolality enn papillar vev. Det har vist seg at full bekken refluxes, under disse omstendighetene, tjene til å redusere osmolality og urea konsentrasjon av nedsatt medulla., Som en konsekvens, bekken refluxes kan tjene til å forkorte den tiden det tar for en vann diurese for å utvikle etter et stort inntak av vann. Dette kan være spesielt nyttig for ørkenen dyr som drikker store mengder vann med jevne mellomrom, og må derfor være i stand til å fortynne urinen umiddelbart for å unngå vann-rus (17).

Peristaltikk transporterer urinen som en bolus ned ureter

Noen som har bestått en nyre stein vet at ureter også kontrakter peristaltically., Urin inn i ureter er skjøvet mot blæren i boluses, den ureter blir stengt foran og bak, hver bolus. Ved lav urin flow priser, boluses er kort; på høyere flyt priser, boluses blir lengre, men den lineære hastighet av boluses er uendret. Dermed flyten i ureter er svært forskjellig fra strømning i et rør med en fast diameter, hvor lineær hastighet ville endre seg i direkte forhold til vannføring. Som urinen øker ytterligere, lengder av boluses fortsette å øke til ureter er fylt fra den ene enden til den andre (17).,

Peristaltic styrker konsentrere urinen

Som peristaltic bølge beveger seg ned over nedsatt papilla, urinen er presset gjennom papillar samle kanaler som en bolus. Lys mikrografer av papilla fast under sammentrekning viser at innsamling av kanalene er lukket (Fig. 3A), men at de er vidåpne når bekken veggen er avslappet (Fig. 3B). Som med ureter å samle inn kanalene er vanligvis tomme, og lukket bak bolus. Bolus er kort i løpet lav urin flow priser; innsamling kanaler forbli tomme til neste bolus er presset gjennom., Ved lav urin flow priser, kan de være tomme så mye som 95% av tiden, med væske å være i kontakt med innsamling av duct epitel bare en kort stund. Den lineære hastighet av peristaltic wave er 1,6 mm/s og er lik hastighet på kort bolus. Ved høyere urinen priser, bolus er lengre fordi hastigheten av leading edge, som er bestemt av urin produksjonen, er lavere enn hastigheten av peristaltic bølge presser bakkant; på det høyeste strømningshastigheten å samle inn kanalene er tom bare når peristaltic bølge beveger seg over papilla., Dermed, paradoksalt nok, kontakt tidspunktet er langvarig (eller gjennomsnittlig lineær hastighet på urinen i å samle kanaler er tregere) ved høyere hastighet priser sammenlignet med lave urinen priser.

Som peristaltic sammentrekning beveger seg nedover papilla, innsamling duct væske er presset gjennom de kanaler på en hastighet som er større enn hastigheten med hvilken væske som er dannet, og dermed øke hydrostatisk trykk på veggen av kanaler. Under lave priser av urin produksjonen, bare halvparten av væsken i terminalen for å samle inn kanalen på vei ut av papilla fra kanaler av Bellini., Det gjenværende volumet er absorbert i å samle duct epitelceller, som bind er økt med ca volumet av væsken absorberes fra å samle duct lumen under hver peristaltic sammentrekning. Som sammentrekning går, samle kanaler tett bak urin bolus (17).

Ostia av kanaler av Bellini er normalt patent (Fig. 3C), men ofte synes å inneholde prolapsed medullary vev i nyrer fra overvektige kaniner (Fig., 3D), fedme være preget av en beskjeden grad av arteriell hypertensjon (+11 mmHg i disse kaniner og liknende økninger i overvektige hunder og mennesker), en forhøyet nedsatt interstitial hydrostatisk trykk (19 vs. 9 mmHg hos overvektige vs. magre hunder), og et vesentlig utvidet indre medullary interstitium (i kanin, hund og mennesker; Ref. 5)., Dermed utvidet interstitium kan gi en større enn vanlig motstand mot peristaltic rush av væske gjennom å samle kanaler, noe som øker den mellomliggende trykket i nedsatt parenchyma, og resulterer i en økt arterielt blodtrykk systemisk samt prolaps av medullary innholdet ut ostia.

ledd av Henle er også delvis tømt i løpet av bekken sammentrekning. Dette kan sees etter en bolus injeksjon av Lissamine Grønn SF, når væsken i løkker blir midlertidig grønn., Hver sammentrekning ser ut til å presse væske ut av looper, med litt væske blir presset retrograd og resten mot spissen.

peristaltic sammentrekninger av bekken veggen dypt påvirke papillar blodstrøm. Den papilla inne i bekken veggen blir blek som veggen kontrakter rundt det, med kapillærer innsnevring i løpet av hver sammentrekning. Med nøye observasjon under mikroskopet, kan det ses at blodstrømmen med jevne mellomrom stopper og trykk deretter kort beveger seg retrograd i synkende kapillærer., Målinger har vist at blodstrømmen er stoppet ∼30% av tiden. Lys og elektroner mikrografer fra nedsatt papiller fast på slutten av sammentrekning har vist at kapillærene, så vel som ledd av Henle og samle kanaler, var alle godt lukket, mens de fra avslappet papiller alle var åpne. Dette uregelmessig mønster av flyt kan bidra til å bevare osmotisk gradient langs nedsatt papilla, siden en kontinuerlig strøm ville resultere i økt fjerning av papillar solutes (17).,

Papilla rebound beveger seg vann i vasa recta

peristaltic sammentrekning både komprimerer og strekker papilla, forårsaker den til å bli lengre og smalere. I løpet av de tidlige avslapping periode (1 s), den papilla returer til kortere og bredere avslappet form. Samle kanaler i utgangspunktet være lukket, men vannet beveger seg ut av cellene i interstitium på grunn av negativt hydrostatisk trykk som genereres av de elastiske egenskapene til de mellomliggende matrise., Siden den stigende vasa recta er bundet til andre strukturer, de er åpnet som vevet utvider seg ved returen, slik at vann trenger inn (14). Snart blodet går tilbake til vasa recta, først til synkende, og deretter stigende vasa recta, skyve langs kolonnen av vannet som hadde gått inn i vasa recta fra interstitium. På denne tiden, rørformede væske også tilbake til løkker av Henle.

I slutten av avslapning (2 s), samle åpne kanaler som urin renner inn i dem ovenfra., De resterende strukturer fortsette å fungere normalt, med den formen av papilla uendret, vasa recta åpne med blodstrømmen, og ledd av Henle åpne med væsken fortsetter å strømme gjennom dem.

bekken veggen er nødvendig for peristaltikk

Hvis bekken veggen er avkappede, blodet flyter i kapillærene er kontinuerlig og flyten i løkker av Henle og gjennom å samle kanaler er også uavbrutt., Tilsvarende, hvis et intakt bekkenet er lammet av lokal bedøvelse, den ureteral peristaltikk blir uncoupled fra bekken og bekken blir lammet. Den flyter i å samle kanaler, sløyfer av Henle, og vasa recta er nå kontinuerlig, som det er når bekken veggen er fjernet eller lammet. Fysiologiske funn har vist at når bekken veggen er fjernet eller lammet, de osmolality og natrium konsentrasjonen av papillar vev reduseres betydelig (17).,

Mekanismer som konsentrere urinen i papilla

til Å konsentrere urinen i å samle kanaler, vann må fjernes fra å samle inn kanaler i overkant av solutes. En del av dette vannet fjerning er forårsaket av opphopning av solutes i papillar interstitium, som en følge av ion transport som skjer i den ytre medulla. Matematiske modeller, men kan ikke forklare den faktiske konsentrasjoner nås av noen dyr (12, 13). Modellen som er presentert her (Fig., 4) foreslår at hydrostatisk trykk som er generert av bekken veggen peristaltikk bidrar til fjerning av vann fra å samle duct lumen i fire trinn. Først, de force av peristaltic sammentrekning flytter bolus av urin ikke bare ned å samle duct men også inn i cellene lining duct (Fig. 4A). For det andre, negative mellomliggende faktorene som utvikler i løpet av rebound har en tendens til å flytte vann fra epitelceller i interstitium. For det tredje, tjoret stigende vasa recta har en tendens til å åpne opp for andre konstruksjoner (Fig. 4B; Ref., 14), og skapte en negativ intravaskulær hydrostatisk styrke og tegning interstitiell væske inn i lumen. Fjerde, stigende vasa recta har en uvanlig stor hydraulisk permeabilitet og lav refleksjon koeffisienten til albumin (14), slik at for vaskulær opptak av både store og små osmotically aktiv particless. Til sammen har disse fire trinnene utgjør en svært effektiv mekanisme for flytting av interstitiell væske ut av medulla for enhver hydrostatisk eller osmotisk gradient.

strukturen av modellen er i motsetning til andre mekanismer som har vært foreslått. Viktigst av alt, det er ikke en kontinuerlig funksjon av tid; i stedet, de fysiske konsekvensene av nedsatt bekken sammentrekninger må integreres over en komplett peristaltic syklus for transport av vann til å skje. For det andre, den termodynamiske energi er ikke avledet fra ATP eller ionisk gradienter innenfor papilla., Dette er heldige, fordi vevet synes å ha magre energi reserver: blodstrømmen er treg, den partialtrykket av oksygen er lav (<10 Torr), mitokondrier er få, og de fleste energi er avledet fra anaerob glykolysen (8). I stedet foreslår vi at den termodynamiske energi er hentet fra en ekstern kilde, nemlig sammentrekning av glatt muskulatur i rikt vascularized veggen av nedsatt bekkenet. Tredje, visse foreslåtte mekanismer krever at den interstitielle rom har en fast volum eller at nedsatt papilla har en lav etterlevelse (12, 14)., Faktisk, nedsatt papilla må være svært kompatible, har ingen kapsel og lite kollagen. I stedet foreslår vi at periodisk sammentrekninger av nedsatt bekken veggen håndheve et konstant volum, rytmisk bevegelse væske fra å samle inn kanaler i stigende vasa recta.

Denne modellen håndterer ikke eksplisitt med sløyfer av Henle, selv om innholdet er tømt av peristaltikk mye som å samle kanaler., Heller ikke det tilbyr med transport av solutes, eller den dynamiske effekten av gjentatte bevegelser av rent vann i papillar interstitium ved munningen av aquaporin-tv, en forandring som kan endre de fysiske og kjemiske natur av proteiner, hyaluronan, og proteoglykaner som fyller plassen. Vi forventer at anvendelse av moderne teknikker, vil begynne å belyse disse funksjonene av nedsatt urodynamiske aktivitet.